Элементная база ВОЛС: волоконно-оптические кабели, оптические соединители, разветвители, коммутаторы

  Принцип работы разветвителей

  Рассмотрим  рис. 9. Он показывает, что может произойти, если мы поместим два отрезка оптоволокна, контактирующих бок о бок, в открытый огонь и превратим их сплавной разветвитель с биконический отводами. Внутри каждого волокна существует длинная секция ответвлений, затем однородная секция длины Z, где они сплавляются (свариваются), а затем еще одна секция ответвлений, с направленным обратно по отношению к первой, кросс-соединением двух отдельных волокон.

   Рис. 9. Схематичное изображение сплавного биконического разветвителя. Обратите внимание, что в области связи длиной Z сердцевины сжаты и поле «выдавливается в воздушную оболочку». 
 
 

  Эти ответвления  достаточно плавные, так что только незначительная часть энергии падающая из любого порта, расположенного слева, отражается назад в любой из портов, расположенных справа. По этой причине указанные устройства часто называют направленными разветвителями.

  Используя эту технологию, можно сделать ряд разветвителей, основанных на том, что уровень мощности, перешедшей из одного волокна в другое, может быть изменен путем изменения следующих параметров: Z— длины области связи, через которую осуществляется взаимодействие двух полей; а - радиуса сердцевины в области связи; Dа - разности радиусов сердцевин в области связи.

   Основные категории  оптических разветвителей следующие: древовидный разветвитель(а); звездообразный разветвитель (б); ответвитель (в).

  Рис. 10. Оптические разветвители.

  Древовидный разветвитель (tree coupler)

  Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию - нескольких сигналов в один выходной (рис. 10 а). Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n х m, где n - число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m - число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов. Передаточные параметры для разных выходных полюсов разветвителя стремятся делать более близкими друг другу.

  Звездообразный  разветвитель (star coupler)

  Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из п входных полюсов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2х2 и 4х4. Во избежание путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами, рис. 10 б. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.

  Ответвитель (tap)

  Ответвитель - это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами, рис.10 в. Конфигурации ответвителей бывают 1х2, 1х3, 1х4, 1х5, 1х6, 1х8, 1х16, 1х32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.

  Параметры разветвителей

  Следующие три набора параметров считаются  основными при описании разветвителя.

  Вносимые  потери - уменьшение оптической мощности между входным и выходным портами пассивного элемента в дБ.

  Центральная длина волны и  полоса пропускания. Показатели всех разветвителей меняются в зависимости от длины волны. Спецификация разветвителей обычно распространяется на все окно прозрачности или, в некоторых случаях, на несколько окон. Центральная длина волны является лишь номинальной рабочей длиной волны разветвителя, тогда как полоса частот является диапазоном длин волн, в рамках которого эта спецификация гарантируется.

  Потери, зависящие от поляризации (PDL). Соответствуют максимальной вариации вносимых потерь, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех возможных состояний поляризации.

  Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса.

  Однородность. Логарифмическая матрица передачи элементов ветвления (оптические свойства волоконно-оптических устройств ветвления могут быть определены в терминах матрицы коэффициентов п´п, где n -число портов, а коэффициенты представляют часть мощности, передаваемой между назначенными портами) может содержать определенный набор коэффициентов, который конечен и одинаков. В этом случае диапазон изменения этих коэффициентов а_ij (выраженный в дБ) именуется однородностью элементов ветвления.

  Коэффициент разветвления. Коэффициент разветвления (coupling ratio), или коэффициент расщепления (splitting ratio), определяется как отношение оптической мощности, излучаемой одним выходным портом, к сумме оптических мощностей, излучаемых всеми выходными портами. Коэффициент разветвления измеряется на определенной центральной длине волны. Многомодовые разветвители измеряются с равновесным модовым заполнением.

  Коэффициенты  передачи или вносимые потери (insertion loss) определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов.

  Потери  на обратном рассеянии  b_bs - этот коэффициент схож с коэффициентом обратных потерь в оптических соединителях.

  Направленность - для волоконно-оптических элементов ветвления представлена значением a_ij — элемента логарифмической матрицы передачи между двумя изолированными портами.

  В табл. 3 приведены функциональные параметры передачи для волоконно-оптических разветвителей, или элементов ветвления:

 

  Волоконно-оптическое коммутационное оборудование

  Когда ВОК  наружной прокладки (линейный ВОК) заходит  внутрь здания, его, как правило, не подключают непосредственно к приемо-передающему оборудованию (оптическим трансиверам). Такое решение было бы ненадежным и негибким. Обычно предварительно выполняется терминирование волокон линейного ВОК.

  Терминированием называется оконцевание волокон ВОК оптическими коннекторами и последующее подключение оконцованных волокон к переходным розеткам, закрепленным на оптической распределительной панели/коробке, для обеспечения дальнейшей связи с сетевым оборудованием через оптические соединительные шнуры. Оно производится непосредственно специальными коннекторами, с помощью так называемых pig-tail’ов (оптического волокна в буферном покрытии длиной обычно о одного метра, оконцованного соединителем с .одной стороны) или через сварку с волокнами станционного ВОК (обычно используется на оптических узлах с большой концентрацией волокон).

  Оптический  узел является тем центром, где осуществляются разнообразные сопряжения волокон внешних и внутренних ВОК. Основные требования, которые предъявляются к оптическому узлу, - это его надежность и гибкость. По масштабу выполняемых функций оптические узлы можно разделить на: оптические распределительные устройства; оптические кроссовые устройства.

  Оптические  распределительные  устройства

  Коммутационные  панели как устройства чрезвычайно просты. Это пассивные панели, которые имеют набор адаптеров (розеток), для соединения с помощью кабелей и их разъединения. Большинство коммутационных панелей допускает возможность подсоединения кабелей с двух сторон, что позволяет достичь большей гибкости при реконфигурации оптических кабелей. Другие коммутационные панели обеспечивают управление кабельным хозяйством, так чтобы сохранить в должном порядке вариант маршрутизации и расположение кабелей.

  Коммутационные  панели используются также как схемы  точек доступа для тестирования и поиска неисправностей. Они используются и для реконфигурации оборудования. Если, например, оборудование или устройство вышло из строя, то надлежащим образом скоммутированная панель позволяет персоналу легко перенаправить поток с пострадавшего соединения на резервное или на другое оборудование.

  Распределительные блоки и шкафы  аналогичны коммутационным панелям и отличаются только тем, что имеют дополнительное пространство и позволяют организовать раскладку волокна. Всегда рекомендуется оставлять некоторый технологический запас волокна. Этот запас может пригодиться, если придется изменить схему соединения. Распределительные блоки обеспечивают место для хранения этого запаса волокна в виде достаточно большой бухты кабеля.

  Оптические  кроссовые устройства

  Кроссы, или кросс-соединители(кросс-коммутаторы), существуют в нескольких модификациях. Некоторые техники и полевые инженеры используют термин кросс как синоним коммутационной панели, в которой все операции осуществляются вручную. Мы определим кросс как синоним переключателя световой волны (то есть как синоним кроссс-коммутатора).

  Основная  цель кросс-коммутатора в сети — реорганизовать звенья связи. Они выполняют изменение маршрута сигнала и используются для конфигурации маршрута или восстановления звена связи. Эти коммутаторы автоматически работают в оптической области, будучи сконфигурированы какими-то управляющими воздействиями. Они используются также в оптических мультиплексорах ввода-вывода. Кроме того они могут быть использованы в оптических маршрутизаторах, осуществляющих маршрутизацию в зависимости от длины волны. Ключевыми параметрами, определяющими показатели коммутаторов и, следовательно, их пригодность для тех или иных приложений, являются:

  - вносимые  потери и потери на разветвление;

  - возвратные  потери;

  - потери, зависящие  от поляризации;

  - перекрестные  помехи и уровень изоляции;

  - надежность;

  - время  переключения;

  - стабильность;

  - степень  сложности.

  Общие принципы работы коммутационного  оборудования

  В самом  общем виде задача коммутации —  задача соединения конечных узлов через  сеть транзитных узлов — может  быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач:

  1. Определение  информационных потоков, для которых  требуется прокладывать пути.

  2. Определение  маршрутов для потоков. 

  3. Сообщение  о найденных маршрутах узлам  сети.

  4. Продвижение  – распознавание потоков и  локальная коммутация на каждом  узле.

  5. Мультиплексирование  и демультиплексирование потоков.

  Когда маршрут  определен (вручную или автоматически), следует "сообщить" о нем всем устройствам сети. Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. Сообщение о маршруте обрабатывается транзитным устройством, в результате чего создается новая запись в таблице коммутации, в которой локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передать данные, относящиеся к этому потоку. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив адреса передающего и получающего портов, заносит их в таблицу. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате поток данных локализуется. На рис.11 показана коммутация М´N, использующая оптический кросс-коммутатор: